انواع آلزایمر:

بر اساس مطالعات اپیدمیولوژیک دو گروه عمده‌ی مبتلایان به آلزایمر عبارتند از:

1. نوع خانوادگی یا Familial Alzheimer Disease (FAD) با علت ژنتیکی که حدود 5% از جمعیت مبتلایان را تشکیل می‌دهد.

2. نوع اسپورادیک Sporadic بدون اتیولوژی شناخته شده‌ی قطعی با آمار 95% از کل موارد ابتلا به بیماری. از آنجایی که این نوع از بیماری از الگوی اپیدمیولوژیکی و پراکندگی خاصی پیروی نمی‌کند، لذا نوع اسپورادیک نامیده می‌شود.

در مبتلایان به نوع خانوادگی بروز علائم در سنین پایین‌تر و در نوع اسپورادیک در سنین بالاتر رخ می‌دهد؛ به طوری که سنین 55، 60 یا 65 سال بعنوان خط گذر بین این دو در نظر گرفته می‌شود. هر چند رؤیت مواردی ناسازگار با الگوی گفته شده، این دسته‌بندی را تحت‌الشعاع قرار می‌دهد

 

دلایل ژنتیکی آلزایمر:

1- جهش در سه ژن اوتوزوم غالب بطور قطع با بروز نوع خانوادگی آلزایمر ( (FAD در ارتباط است:

جهش در این سه ژن باعث ایجاد FAD می‌شود ولی مکانیسم آن بطور کامل مشخص نیست؛ اما مطالعات نشان داده‌اند که این جهش ها هم‌گام با پردازش غیرطبیعی (βAPP) Beta Amyloid Precursor Protein می‌باشند و جهش در هر یک از این سه ژن باعث افزایش تولید مشتقات آمیلوئید بتا از βAPP می‌شود . βAPP پیش‌ساز آمیلوئید بتا است. تنها ایزوفرم کلیدی شناخته شده از این پروتئین در سلول‌های نرونی مغز دارای 695 اسید آمینه می‌باشد. این پپتید عضوی از خانواده‌ی پروتئین‌های حفاظت شده‌ی غشایی تیپ یک بوده که در پستانداران شامل پروتئین شبه APP، (APP-Like Protein) نوع یک و دو می‌باشد. این پروتئین توسط بافت‌های مختلف و بخصوص مغز ساخته می‌شود و محل ژنی آن بر روی 21q است. عملکرد دقیق آن بطور دقیق مشخص نیست؛ هرچند نقش‌هایی مانند شرکت در اتصال سلولی و پیام‌رسانی نروتروفیک برای آن در نظر گرفته شده است .

مشاهدات نیز حاکی از دخالت این ژن‌ها در فرایند بیماری بوده و در افراد مبتلا به سندرم داون که دارای 3 کپی از کروموزوم 21 می‌باشند درصد ابتلا به FAD بیشتر است . مطالعات اخیر نشان داده است که جهش در ژن βAPP عامل 15/0-1/0 درصد کل بیماری آلزایمر می‌باشد. به نظر می‌رسد جهش در این ژن با ایجاد تغییر در الگوی پردازش پروتئین βAPP باعث افزایش مشتقات آمیلوئید بتا و افزایش تجمع خارج سلولی آنها می‌گردد. در مدل موش‌های ترانس ژنیک که در آنها ژن βAPP دچار جهش شده و باعث بیان بیش از حد آن شده است، میزان پروتئین آمیلوئید بتا افزایش یافته و باعث تشکیل Senile Plaque همراه با اختلالات سیناپتیک و بدون ایجاد NFTs گردیده است که خود تأییدی بر نقش کلیدی جهش ژن‌های βAPP در بروز آلزایمر می‌باشد. عامل اصلی (بیش از 70%) ابتلا به نوع ژنتیکی در آلزایمر جهش در دو ژن PS1 و PS2 می‌باشد که از این بین جهش در ژن PS1 شایع‌تر است. بیش از 80 نوع جهش پاتولوژیک مختلف در ژن PS1 و همچنین 4 جهش در ژن PS2 مرتبط با بیماری آلزایمر شناسایی شده است. محصولات این دو ژن دو پروتئین ترانس ممبران PS1 و PS2 با همولوژی بسیار زیاد است که به ترتیب دارای 463 و 488 اسید آمینه و 6 و 9 دومن هیدروفوب داخل غشایی هستند و در نورون‌ها سنتز می‌گردند. عملکرد فیزیولوژیک آنها بطور دقیق مشخص نیست اما ممکن است در مسیر پیام‌رسانی Notch Receptor دخیل باشند (این مسیر یکی از مسیرهای پیام‌رسانی غیرقابل بازگشت سلولی است). عملکردهای احتمالی دیگری نیز برای این دو مفروض است که شامل موارد زیر است:

عمل بعنوان کانال یونی، شرکت در هموستئاز کلسیم، پردازش پروتئین، اتصال سلولی، آپوپتوزیس و شکل‌پذیری سیناپتیک. در یک مطالعه مشخص گردیده است که PS برای تجزیه‌ی سوبستراهای پروتئینی موجود در اوتوفاگوزوم‌ها ضروری است.گمان می‌رود که در بیماری آلزایمر جهش‌های ایجاد شده در این دو ژن با ایجاد اختلال در پردازش βAPP در ایجاد بیماری دخا لت داشته و باعث تولید بیش از حد آمیلوئید بتای 42 آمینواسیدی Aβ42 می‌گردد.

2- پلی‌مرفیسم ژنی و همچنین وراثت، آلل خاصی از آپولیپوپروتئین E (Apo E) است که بر روی کروموزوم شماره ی 19 قرار دارد (شکل1).  Apo Eکه بطور عمده در کبد سنتز می‌شود در سیستم عصبی مرکزی نیز بواسطه‌ی آستروسیت‌ها و میکروگلیاها سنتز می‌گردد. این ژن دارای سه آلل e2, e3 و e4 می‌باشد که با شش فرم ترکیبی مختلف در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند: e2/2, e3/3, e4/4, e2/3, e2/4, e3/4. آللe4  بعنوان یک ریسک فاکتور مورد شناسایی قرار گرفته است. در اغلب جمعیت‌ها اکتساب یک آلل e4 ریسک حامل بودن بیماری را افزایش می‌دهد و اکتساب دو آلل، این احتمال را به مراتب بیشتر می‌کند. 50% از بیماران مبتلا به آلزایمر حداقل یک کپی از این آلل را دارا هستند. در افرادی هم که دارای ژنوتیپ e4/e4 هستند خطر ابتلا به بیماری افزایش می‌یابد. وجود هر آلل e4 خطر ابتلای به بیماری را به سوی سنین پایین‌تر سوق می‌دهد. اساس ملکولی این امر بطور قطع مشخص نیست، اما مکانیزم‌های متعددی برای آن پیشنهاد شده است؛ برای مثال فعل و انفعال با پروتئین تائو و همچنین کاهش خاصیت آنتی‌ اکسیدانی Apo E دارای آلل e4 از این قبیل مکانیرم‌های پیشنهادی می‌باشند، اما مشاهدات در این زمینه نیز بحث‌برانگیز است. مطالعات نشان داده است که هر فردی که دارای یک آلل e4 است مبتلا به آلزایمر نمی‌باشد، اما تقریباً نیمی از مبتلایان، واجد آلل‌های e4 هستند.

شکل 1: کروموزوم‌های انسانی 1، 14، 19 و 21 که به ترتیب حاوی ژن‌های Presenilin 2 (PS2)، Presenilin 1 (PS1)، Apolipoprotein E (APOE) وAmyloid Precursor Protein (APP) می‌باشند

 

عوامل غیرژنتیکی بیماری آلزایمر:

عوامل متعددی نیز بعنوان فاکتورهای غیر ژنتیکی نوع اسپورادیک آلزایمر ذکر شده‌اند که مواردی از آنها به شرح زیر می‌باشد:

1. در اغلب موارد ابتلای به نوع اسپورادیک در سنین بالای دهه‌ی ششم زندگی رخ می‌دهد.

2. که در این مورد توضیح داده خواهد شد.

3. ریسک فاکتورهای عروقی: شامل هایپرلیپیدمی، فشارخون، دیابت و دیگر ریسک فاکتورهای بیماری‌های  قلبی و یا سکته‌ی مغزی از سوابق مورد قبول برای آلزایمر می‌باشند. افزایش سطح سرمی کلسترول خون یک فاکتور مؤثر خارجی در نوع اسپورادیک بیماری است. از لحاظ اپیدمیولوژیکی سطح بالای کلسترول سرمی در خلال دوره‌ی میانی زندگی ریسک ابتلا به بیماری را در سنین بالاتر افزایش می‌دهد.

4. سطح آگاهی و فرهنگ: مطالعات متعدد بیانگر آنست که خطر ابتلا به آلزایمر در بین افراد دارای سطح آگاهی و فرهنگ پایین بطور قابل ملاحظه‌ای بیش از افراد مرفه و آگاه می‌باشد.

5. آسیب‌های تروماتیک: آسیب‌های تروماتیک وارد شده به ناحیه‌ی سر باعث افزایش ریسک ابتلا به بیماری می‌شوند .

 

ارتباط عوامل ژنتیکی با محیط:

1. در افراد سیگاری و بخصوص در آنهایی که واجد یک آلل e4 می‌باشند خطر ابتلا 4-2 برابر بیشتر است.

2. در افراد بالغ و مبتلا به سندرم داون تغییرات نوروپاتولوژیک بیماری آلزایمر تا سن 40 سالگی بروز می‌کند و لیکن تمامی مبتلایان دچار ضایعات و اختلالات حافظه نمی‌شوند. ریسک ابتلا به آلزایمر نیز در خانواده‌هایی که سابقه‌ی سندرم داون در آنها وجود دارد 3-2 برابر افزایش می‌یابد.

 

نظریه‌های عوامل ایجاد کننده آلزایمر:

هرچند در سده‌ی گذشته و به خصوص 25 سال آخر قرن پیش، نظریه‌های متنوع و گوناگونی در ارتباط با عامل این بیماری مرموز بیان شده است اما تعداد کمی از آنها توانسته‌اند با غلبه بر فاکتور زمان همچنان بر بقای خود ادامه دهند. مطالب ذیل از مهم‌ترین این نظریه‌ها می‌باشد:

 

• نظریه آمیلوئید:

بر طبق این نظریه رسوب داخل سلولی پروتئینی بنام تائو (Tau) باعث ایجاد ضایعات داخل سلولی بنام Neurofibrillary tangle (NFTs) می‌شود. در عین حال رسوب خارج سلولی پروتئینی دیگر بنام Amyloid-β (Aβ) protein باعث ایجاد ضایعات خارج سلولی بنام Amyloid plaque می‌گردد. وجود این دو ضایعه‌ی بافتی در نواحیHippocampus  و  Neocortex مغز شاخص پاتولوژیک مهمی در بیماری آلزایمر است، بطوریکه تجمع فرم سمی پروتئین آمیلوئید بتا، هموستئاز سلول‌های نورون و گلیال را دچار نقص نموده و باعث تخریب ساختارهای طبیعی مغز و سیستم مغزی عروقی می‌شود. .

• نظریه التهاب:

رسوب آمیلوئید در مغز همراه با تغییرات موضعی التهابی و ایمنولوژیکی است. چنین مشاهداتی منجر به شکل‌گیری این تفکر گردیده است که التهاب، با ضایعات نورودژنراتیو در ارتباط است. پاسخ التهابی ممکن است در جهت پاک‌سازی رسوبات آمیلوئید بروز نماید که این عمل ممکن است باعث آزادسازی سایتوکاین‌ها، نیتریت اکساید، گونه‌های واکنش‌گر و فاکتورهای کمپلمان گردد که همه‌ی این موارد، توانایی آسیب نورونی و تشدید حالت التهابی موجود را دارا هستند.

• نظریه استرس اکسیداتیو:

به نظر می‌رسد تخریب بواسطه‌ی رادیکال آزاد و استرس اکسیداتیو نقش مهمی را در فرایند بیماری‌زایی آلزایمر ایفا می‌کند. با توجه به اینکه همزمان با افزایش سن، توانایی نورون‌ها در جبران عدم تعادل در پتانسیل احیا کاهش می‌یابد، لذا در فرایند پیش‌رونده‌ی پیری و همگام با افزایش سن، حتی کوچک‌ترین استرس سلولی، قادر به ایجاد آسیب غیرقابل بازگشت به نورون‌ها بوده و بدین ترتیب در پاتوژنز بیماری‌های نورودژنراتیو (و البته آلزایمر) شرکت می‌نماید .

• نظریه عروقی (Vascular):

در سال‌های اخیر شواهد فزاینده‌ای توجهات را بر روی نقش فاکتورهای اکتسابی عروقی در ابتلا به آلزایمر در افراد مسن به خود جلب کرده است. مشاهده شده است که ریسک‌ فاکتورهایی همچون سکته‌ی ایسکمیک (ischemic stroke)، آترواسکلروزیس، فشارخون و دیابت منجر به اختلال عملکرد در عروق مغزی شده و پاتولوژی آلزایمر را تحریک می‌نمایند.

• نظریه عفونی:

بر اساس این نظریه فرض می‌شود که عفونت‌های سیستم عصبی مرکزی و یا عفونت‌های سیستمیک در بیماری‌زایی یا پاتوفیزیولوژی آلزایمر ممکن است نقش داشته باشند و ابتلا به عفونت‌های مزمن توسط پاتوژن‌های مختلف می‌تواند بعنوان ریسک فاکتور جهت ابتلا به نوع غیر ژنتیکی آلزایمر در نظر گرفته شود.

پذیرفته‌ترین نظریه، نظریه آمیلوئید است که بر اساس آن رسوب داخل سلولی پروتئینی بنام تائو (Tau) باعث ایجاد ضایعات داخل سلولی بنام Neurofibrillary tangle (NFTs) می‌شود. در عین حال رسوب خارج سلولی پروتئینی دیگر بنام Amyloid-β (Aβ) protein باعث ایجاد ضایعات خارج سلولی بنام Amyloid plaque می‌گردد. وجود این دو ضایعه‌ی بافتی در نواحیHippocampus  و Neocortex مغز شاخص پاتولوژیک مهمی در بیماری آلزایمر است، بطوریکه تجمع فرم سمی پروتئین آمیلوئید بتا، هموستئاز سلول‌های نورون و گلیال را دچار نقص نموده و باعث تخریب ساختارهای طبیعی مغز و سیستم مغزی عروقی می‌شود .

در اینجا قصد داریم بیماری را بر اساس رویکرد تاریخی و متداول‌تر خود یعنی بر اساس نظریه‌ی آمیلوئید بررسی و پس از پرداختن به نقش اختلالات سیستم لیزوزومی در آن، به تجزیه و تحلیل نقش کاتپسین‌ها در فرایند بیماری بپردازیم.

 

پاتولوژی آلزایمر:

همانطور که اشاره شد از ابتدای کشف بیماری آلزایمر دو آسیب پاتولوژیک شامل Senile Plaque و Neurofibrillary Tangle (NFT) در قسمت‌های نئوکورتکس و هیپوکمپوس مغز بیماران یافت شد که بعنوان شاخصه‌های بیماری قلمداد شدند (شکل2). پلاک‌های فرتوت یا Senile Plaque (به اختصار همان پلاک گفته می‌شود) شامل تجمع رسوبات خارج از سلول‌های نورونی فرم سمی پروتئینی بنام آمیلوئید بتا (;Aβ (Amyloid β می‌باشد که دستجاتی از آنها به قطر nm 200-10 در مرکز ساختار پلاک‌ها رسوب می‌کند. گزارش شده است که این رسوبات آمیلوئیدی که کانون پلاک را تشکیل می‌دهند توسط خود پروتئین‌های Aβ، پروتئین پیش‌ساز (AβPP- Amyloid β Precursor Protein) Aβ، پروتئین تائو (Tau)، اوبی‌کویتین و پروتئین‌های نوروفیلامانت محاصره شده‌اند. پلاک‌ها نیز خود توسط دستجاتی از شبکه‌ی آکسون‌ها و دندریت‌های دیستروفیه شده (Dystrophic Neurites) احاطه شده‌اند.

Neurofibrillary Tangle (NFT) شامل رسوبات داخل سلولی پروتئین مرتبط با میکروتوبولی بنام Tau می‌باشد که بطور غیرطبیعی فسفریله گشته و بصورت فیلمان‌های طویل و هلیکال جفت شده، که دارای اوبی‌کویتین نیز می‌باشند، تجمع یافته‌اند.

 

شکل 2: مقطعی از بافت مغزی یک بیمار مبتلا به آلزایمر

(A) Neurofibrillary Tangle, (B) Neuritic Plaque

 

Aβ بعنوان عمده‌ترین عامل تشکیل دهنده‌ی پلاک‌های خارج سلولی، پپتیدی است که از برش پروتئولیتیک پروتئین پیش‌ساز و داخل غشایی خود بنام پروتئین پیش‌ساز آمیلوئید بتا β Amyloid Precursor Protein (βAPP) ساخته می‌شود. متون علمی مختلف در مورد تعداد دقیق اسیدهای آمینه‌ی سازنده‌ی Aβ یک نظر ندارند و تعداد آن را از 42-40، تا 43-39 و نیز 42-38 ذکر کرده‌اند، اما آنچه مهم است این است که Aβ حاوی 42 اسید آمینه، بطور مشخصی در پاتولوژی آلزایمر دخالت دارد. عملکرد دقیق این پروتئین بطور دقیق مشخص نیست؛ هر چند نقش‌هایی مانند شرکت در اتصال سلولی و پیام‌رسانی نروتروفیک برای آن در نظر گرفته شده است. βAPP درغشاء به شکل ترانس ممبران استقرار پیدا می‌کند و تحت اثر سه آنزیم مختلف، به دو صورت می‌تواند برش یابد. این آنزیم‌ها را سکرتاز (Secretase) می‌نامند و شامل α ، β و γ هستند. α سکرتاز یک آسپارتیل پروتئاز سطح سلولی بوده و به نام‌های آنــــــــــــــــــزیم تبــــــدیل کنـــــنده‌ی TNFα ,(Tumor Necrosis Factor α Converting Enzyme TACE) و A Distintegrin And Metalloproteinase 10 (ADAM10) نیز شناخته می‌شود. β ســـــــــــــــــکرتاز یا Cleaving Enzyme (BACE) β Site APP یک آنزیم غشایی و داخل آندوزومی می‌باشد. γ سکرتاز نیز یک کمپلکس آنزیمی داخل غشایی بوده و شامل پروتئین‌های پرسنیلین 1 و 2، Nicrasin، APH-1 (anterior pharynx-defective 1) و PEN 2(presenilin enhancer 2) می‌باشد . بطور کلی برای تجزیه و برش βAPP دو مسیر وجود دارد: مسیر α، γ سکرتاز و مسیر β، γ سکرتاز. مسیر دوم منجر به تولید انواع مشتقات آمیلوئید بتا می‌شود. عملکرد و محصولات تولید شده در هر مسیر به اختصار در شکل شماره 3 بیان شده‌اند .

Neurofibrillary Tangle (NFT) بعنوان عمده‌ترین تجمعات پروتئینی درون سلولی در مغز مبتلایان به آلزایمر تشخیص داه شده است. تائو (Tau) پروتئینی مرتبط با میکروتوبول‌ها بوده و بطور عمده نیز در آکسون‌ها یافت می‌شود. این پروتئین در آلزایمر غالباً بصورت دسته‌هایی از فیلامان‌های طویل وجود دارد که بصورت هلیکال با یکدیگر جفت گشته‌اند. این پروتئین‌ها اجزای اصلی NFTها را تشکیل می‌دهند. تائو دارای دو فرم فسفریله و غیرفسفریله بوده که حالت فسفریله‌ی آن بطور مشخص در سلول‌های تمایز نیافته و در حال تقسیم یافت شده و تائوی جنینی یا Fetal Tau نامیده می‌شود.

 

شکل 3: پردازش ΒAPP توسط α, β و γ سکرتاز

Soluble N-terminal APPα (SAPPα), C-Terminal Fragment α (CTF-α), Amyloid Intracellular Domain (AICD), Soluble N-terminal APPβ (SAPPβ), C-Terminal Fragment β (CTF-β)

 

حالت غیرفسفریله‌ی آن نیز در سلول‌های تمایزیافته وجود دارد. در سلول‌های تمایزیافته و سالم، این پروتئین با میکروتوبول‌های سیتواسکلتی در ارتباط بوده و عملکرد آن پایدار نمودن میکروتوبول‌ها از طریق افزایش پلیمریزاسیون توبولین‌ها می‌باشد، اما به نظر می‌رسد که فرم فسفریله‌ی آن توان برقراری ارتباط با میکروتوبول‌ها را ندارد. در این حالت فرم هایپرفسفریله، اوبی‌کوئیتینه، اکسیده و برش خورده‌ی تائو بصورت تجمعاتی در درون سلول‌های نورونی رسوب می‌کند. در حالت طبیعی بین حالت فسفریله و دفسفریله‌ی تائو یک تنظیم وجود دارد. اختلال در این تنظیم ممکن است در شکل‌گیری رسوبات دخالت داشته باشد. گفته می‌شود که این عدم تنظیم نیز بدلیل افزایش فعالیت آنزیم کراتین کیناز و کاهش فعالیت آنزیم کراتین فسفاتاز می‌باشد. بطور کلی اختلالاتی را که باعث افزایش غیرطبیعی فسفریلاسیون و تجمع غیرمعمول و نابجای پروتئین‌های تائو بصورت پلیمرهای فیبریلار می‌گردد را تائوپاتی  Taupathyمی‌نامند. در واقع آلزایمر نیز به نوعی یک بیماری تائوپاتی قلمداد می‌شود و علاوه بر این می‌توان به بیماری‌های دیگری همانند موارد زیر اشاره کرد:

Progressive supranuclear palsy، بیماری Pick، Corticobasal Degeneration و Front temporal Dementias

 

سیستم لیزوزومی در نورون‌ها:

سیستم لیزوزومی عمدتاً خانواده‌ای از اجزای درون سلولی هستند که بطور دائم با یکدیگر در ارتباط بوده، دارای محیط داخلی اسیدی (pH: 3.5-6) و سطوح مختلفی از بیش از 80 نوع اسید هیدرولازها از جمله کاتپسین‌ها می‌باشند. در مجموع کاتپسین‌ها که در طیف گسترده‌ای از pH دارای فعالیت می‌باشند، بیشتر پروتئین‌های وارد شده به درون سیستم لیزوزومی را با سرعت به اجزای آمینو اسیدی خود تجزیه می‌کنند، اگرچه تغییرات شیمیایی و پس‌ترجمه‌ای آنزیماتیک در خلال فرایند پیری و برخی از بیماری‌ها پروتئین‌هایی را بر جای می‌گذارد که در برابر تجزیه شدن مقاوم‌تر می‌باشند، بطوری که کاملاً تجزیه‌پذیر نمی‌باشند و یا اینکه بطور ناقص تجزیه می‌شوند. بر اثر این ناهنجاری نیز این قبیل پروتئین‌ها تجمع می‌یابند.

در مجموع سوبستراها و مواد لازم با دو مسیر وارد سیستم لیزوزومی می‌شوند:

1. شامل اندوسیتوز بواسطه‌ی گیرنده، پینوسیتوزیس (ذره‌خواری) و فاگوسیتوز برای ورود مواد خارج سلولی بداخل لیزوزوم‌ها.

2. جهت ورود مواد داخل سلولی بداخل لیزوزوم‌ها.

هر دوی این مسیرها با پردازش βAPP و پاتوژنز بیماری آلزایمر در ارتباط می‌باشند. در یگ نگاه کلی می‌توان این دو مسیر مرتبط با یکدیگر را در شکل شماره 4 به اختصار رؤیت کرد.

 

شکل 4: نمایی شماتیک از سیستم لیزوزومی در مغز که بیانگر مسیرهای  Endocyticو Autophagic می‌باشد.

PAS: Pre Autophagic Structure; AP: Autophagosome; AL: Autophagolysosome; (LE/MVB): Late Endosome/Multivesicular Body; EE: Early Endosomes; SE: Secondary Endosomes; LE: Late Endosomes

 

پردازش βAPP در آندوزوم‌ها و اوتوفاگوزوم‌ها نیز انجام می‌پذیرد:

شواهد جدید حاکی است که بطور معمول در فرایندهای اوتوفاژی و آندوسیتوزیس، آمیلوئید بتا تولید می‌شود. در مسیر اوتوفاژی اورگانل‌های حاوی βAPP و در سیستم آندوسیتوزیس نیز مواد خارج سلولی به همراه غشاء سیتوپلاسمیِ تشکیل‌ دهنده‌ی آندوزوم‌ها منابع عمده‌ی βAPP می‌باشند. در این حالت آمیلوئید بتای تولید شده توسط لیزوزوم‌ها بصورت کارامدی تجزیه می‌شود. مطالعات بیانگر این مطلب بوده است که در صورت کاهش و یا تسریع فرایند آندوسیتوزیس، میزان تولید آمیلوئید بتا نیز به تناسب کم یا زیاد می‌شود.

تغییرات دینامیک و فعال در محتویات سوبستراها، هیدرولازها و pH درونی، بین اوتوفاگوزوم‌ها و آندوزوم‌ها شرایط مناسبی را بسته به سلامت سلول هم در جهت تولید و هم در جهت تجزیه‌ی آمیلوئید بتا فراهم می‌نماید، بنابراین در هر دوی این مسیرها (اوتوفاژی و آندوسیتوزیس) بصورت نرمال آمیلوئید بتا تولید می‌شود، اما آنچه دارای اهمیت است توجه به این نکته است که آمیلوئیدهای بتای تولید شده در این روش عمدتاً با انتفال به لیزوزوم‌ها توسط کاتپسین‌ها، آنزیم‌هایی که اختصاصیت تجزیه‌کنندگی لازم را برای آمیلوئید بتا دارند، تجزیه می‌شوند. بطور کلی میزان آمیلوئید بتا بوسیله‌ی تعادل بین تولید و تجزیه‌ی آن مشخص می‌گردد و هرگونه نقصی در تجزیه‌ی پروتئولیتیک این پپتید می‌تواند در بیماری‌زایی و پاتوژنز آلزایمر و به خصوص نوع اسپورادیک آن دخالت نماید. در ادامه به این موضوع بیشتر پرداخته می‌شود.

 

اهمیت پروتئولیزهای آنزیمی در سیستم‌های حیاتی:

اصطلاح عمومی پپتیداز به آنزیم‌هایی اطلاق می‌گردد که پیوندهای پپتیدی را هیدرولیز می‌نمایند ولیکن دو واژه‌ی پپتیداز و پروتئاز عموماً بجای یکدیگر بکار می‌روند. این عمل بواسطه حمله نوکلئوفیلیک آنزیم‌ها بر روی کربن کربونیل و سپس به دنبال آن هیدرولیز عمومی اسید و باز انجام می‌پذیرد .

برش‌های آنزیمی که بواسطه‌ی آنها پیوندهای پپتیدی از یکدیگر جدا می‌شوند برای تمامی جوانب مختلف حیات لازم و ضروری هستند. با این توصیف جای تعجب نیست که بدانیم ژن‌های مسئول در تولید این آنزیم‌ها (پپتیدازها) در ژنوم تمامی اورگانیزم‌های سلولی و چندین نوع ویروس خاص یافت شده و محصولات آنها مسئول ایجاد حدود 2% از کل تولیدات ژنی می‌باشند. در ژنوم انسان نیز بیش از 569 آنزیم پروتئولیتیک و یا محصولات مشابه یافت می‌شود که با این تفسیر این محصولات دومین خانواده بزرگ آنزیمی را در انسان تشکیل می‌دهند که خود گویای اهمیت این کلاس آنزیمی می‌باشد. انواعی از آنزیم‌های مذکور در فرایندهای مختلفی همچون موارد زیر یافت می‌شوند:

فیبرینولیز، پردازش پروپروتئین‌هایی مانند کلاژن، عملکردهای ایمنولوژیک، رشد، آپوپتوزیس، تنظیم پروتئین‌های کلیدی از انواع کیناز و فسفاتاز، القاء و برقراری نوآرایی سیتواسکلتی (ممکن است توجیه کننده دخالت پپتیدازها در فرایندهای پیام‌رسانی داخل سلولی باشد)، نقل و انتقال داخل عروقی و تثبیت ساختاری بیوملکول‌ها.

پروتئولیز خارج سلولی برای بسیاری از فرایندهای بیولوژیک نظیر تغییر وضعیت بافتی  (Tissue remodeling)، التیام زخم و تکامل جنینی حائز اهمیت است. از سوی دیگر در رویه‌های پاتوفیزیولوژیکی همچون سرطان، بیماری‌های التهابی مزمن، بیماری‌های قلبی و عروقی همانند آترواسکلروزیس و تصلب شرائین (Restenosis)، فعال‌سازی پروتئین‌های پیش‌ساز (شامل پروآنزیم‌ها و پروهورمون‌ها)، عرضه آنتی‌ژن در سطح سلول بواسطه‌ی   MHC II (major histocompatibility complex)، بازآرایی و تغییر وضعیت استخوان‌ها، تمایز کراتینوسیت‌ها، چرخه فولیکول مو، آپوپتوزیس، آرتریت، پارکینسون و آلزایمر هم پروتئولیز خارج سلولی نقش مؤثری دارد. مطالعات جدید نیز بر آنست که خاموش و روشن شدن سیستم پروتئولیتیک آندوزومی/لیزوزومی در پاتوفیزیولوژی درد ممکن است دخالت داشته باشد.

 

طبقه‌بندی پپتیدازها:

بطور کلی پپتیدازها بر اساس محل عملکرد خود بر روی زنجیره‌های پپتیدی به دو دسته طبقه‌بندی می‌شوند:

1. آندوپپتیدازها
2. اگزوپپتیدازها

آندوپپتیدازها نواحی داخلی زنجیره‌های پپتیدی را برش می‌دهند و از مهم‌ترین آنزیم‌های تجزیه‌کننده‌ی پروتئین‌های خارج سلولی می‌باشند، در حالیکه اگزوپپتیدازها با اثر بر روی نواحی انتهایی و یا قسمت‌های نزدیک به انتهای زنجیره‌های پلی‌پپتیدی باعث آزاد شدن مونو، دی و یا تری آمینواسیدها از انتهای زنجیره می‌شوند [18]. آندوپپتیدازها خود بر اساس مکانیزم برش هیدرولیتیک و جایگاه فعال موجود بر روی آنزیم تقسیم‌بندی می‌شوند، لذا آندوپپتیدازها شامل تره‌اونین آندوپپتیدازها، آسپارتات آندوپپتیدازها، متالوپروتئیناز‌ها، سرین آندوپپتیدازها و سیستئین آندوپپتیداز ها می‌باشند [18 و 19 و 21]. علاوه بر موارد یاد شده آندوپپتیدازهای دیگری نیز وجود دارند که نمی‌توان آنها را در هر یک از زیرکلاس‌های فوق جای داد چرا که این آنزیم‌ها، پپتیدازهای وابسته به ATP بوده و برای عملکرد خود نیاز به حضور ATP دارند [18 و 19]. سیستئین آندوپپتیدازها عموماً در pH اسیدی، همانند شرایط موجود در لیزوزوم‌های اسیدی دارای بیشترین حد عملکرد می‌باشند. سیستئین آندوپپتیدازهای خارج سلولی ممکن است توسط مکانیزمی که هنوز به خوبی شناخته نشده است، در نزدیکی سطح سلول ترشح شده و همان جا نیز به وظایف خود عمل نمایند، برای مثال ماکروفاژها با ایجاد یک فضای اسیدی در اطراف فضای سلولی خود بوسیله‌ی Vascular-Type H ATPase عملکرد آنزیم را بهینه‌سازی می‌نمایند.

 

خانواده‌ی کاتپسین‌ها:

عملکرد عمده‌ی لیزوزوم‌ها تجزیه‌ی ماکروملکول‌ها می‌باشد و بدین منظور این اورگانل‌ها حاوی بیش از 80 نوع اسید هیدرولاز مختلف همانند انواع فسفاتاز، نوکلئاز، گلیکوزیداز، پروتئاز، پپتیداز، سولفاتاز و لیپازها می‌باشند. از بین هیدرولازهای موجود در لیزوزوم‌ها خانواده‌ی کاتپسین از دسته‌ی پروتئازها بهتر و بیشتر مورد شناسایی و توصیف قرار گرفته‌اند. کاتپسین‌ها بر اساس اسیدهای آمینه‌ی موجود در جایگاه فعال به سه دسته تقسیم‌بندی می‌شوند:

1- کاتپسین‌های دارای سیسئین، شامل انواع کاتپسین‌های W-V-S-O-L-K-H-F-C-B و X می‌باشند (جدول 1)

2- کاتپسین‌های دارای سرین، شامل انواع A و G

3- کاتپسین‌های دارای آسپارتیک اسید که شامل D و E می‌باشند [21 و 22 و 24 و 25].

از این بین شناخته‌ شده‌ترین کاتپسین‌ها انواع B،L  و H می‌باشند که در اکثر بافت‌ها نیز به وفور یافت شده و در درون لیزوزوم‌ها نیز هیدرولیز شده و تجزیه‌ی پروتئین‌ها را کاتالیز می‌نمایند. کاتپسین‌های C،F، O و X نیز دارای چنین پراکندگی مشابهی هستند. این در حالیست که انواعS ، K، W و V تنها در بافت‌های خاصی یافت می‌شوند (جدول 2)

ژن‌های کد کننده‌ی کاتپسین‌ها شامل 10 اگزون می‌باشند که توسط اینترون‌ها از یکدیگر جدا شده‌اند. کاتپسین C از سایر کاتپسین‌ها چه در سطح پروتئینی و چه در سطح ژنی متفاوت است، بطوریکه ژن کد کننده‌ی آن حاوی دو اگزون و یک اینترون می‌باشد. آنزیم دیگری که در این خانواده نسبت به انواع دیگر متفاوت است کاتپسین W می‌باشد که دلیل این تمایز نیز محل حضور آنزیم در شرایط فیزیولوژیک می‌باشد، بطوریکه برخلاف انواع دیگر که در شرایط فیزیولوژیک در درون لیزوزوم‌ها حضور دارند، کاتپسین W در درون شبکه‌ی آندوپلاسمی سلول‌های کشنده‌ی طبیعی Killers (NK) Natural تجمع می‌یابد.

جدول 1: طبقه‌بندی سیستئــــین کاتپســین‌هــا بــر اســـــــــاس

Nomenclature Committee of the Union of Biochemistry and Molecular Biology

 

 

 

جدول2: توزیع سیستئین کاتپسین‌ها

 

نقش کاتپسین‌ها در سیستم لیزوزومی:

فعالیت پروتئولیتیک لیزوزوم‌ها بطور حیاتی و مهمی به کاتپسین‌ها وابسته می‌باشد. آندوزوم‌های اولیه دارای گروهی از کاتپسین‌ها هستند که به واسطه‌ی دو گیرنده‌ی مرتبط با مانوز بنام‌های گیرنده‌ی مانوز 6 فسفات وابسته به کاتیون Cation-Dependent MPR (CD-MPR) و گیرنده‌ی مانوز 6 فسفات غیروابسته به کاتیون (Cation-Independent MPR (CI-MPR وارد آنها می‌شوند. همگام با بلوغ آندوزوم‌ها محیط داخلی آنها نیز اسیدی‌تر گشته و شرایط را برای فعالیت بهینه و بیشتر کاتپسین‌ها آماده می‌سازد . مشاهدات حاکی از آن است که در شرایط In vivo عمل تجزیه‌ی آمیلوئید بتا می‌تواند توسط پروتئازهای مختلفی انجام پذیرد. در مدل‌های حیوانی (موش) نیز سرکوب و یا بیان بیش از حد ژنی این پروتئازها به تناسب، سبب افزایش و یا کاهش میزان آمیلوئید بتا می‌گردد، از این قبیل پروتئازها می‌توان به کاتپسین‌ها و متالوپروتئینازهای حاوی مس اشاره کرد مانـــــــــــــــند Neprilysin (NEP)، Insulin Degrading Enzyme (IDE)، Plasmin و Endothelin Converting Enzyme نوع یک و دو ECE2) -(ECE1. با توجه به pH اوپتیممِ عملکردیِ اغلب این آنزیم‌ها بعید به نظر می‌رسد که بجز کاتپسین‌ها، سایر آنزیم‌های فوق در شرایط اسیدی موجود در سیستم لیزوزومی بتوانند عملکرد مناسبی را داشته باشند. کاتپسین‌ها توانایی تجزیه‌ی مشتقات آمیلوئیدی و بخصوص نوع Aβ42 را دارا هستند. تحقیقات نشان داده‌اند که کاتپسین‌های نوع D، B و احیاناً L در تجزیه‌ی مشتقات آمیلوئید بتا نقش بسزایی دارند . در ادامه به این مطلب بیشتر پرداخته می‌شود.

 

نقش کاتپسین‌ها در آلزایمر :

بطور کلی نقایص و جهش‌هایی که با ایجاد اختلال در عملکرد آنزیم‌های لیزوزومی باعث بروز بیماری می‌شوند بیماری‌های دخیره‌ای لیزوزومی Lysosomal Storage Disorders (LSD) نامیده می‌شوند که در حدود 40 سندرم از این اختلالات تابحال شناسایی شده است. اغلب این سندرم‌ها همراه با اختلال در رشد مغزی بوده و باعث عقب افتادگی و یا اختلالات ذهنی می‌شوند. وجود رسوبات و تجمعات پروتئینی داخل سلولی از دیگر شاخصه‌های این نوع از اختلالات می‌باشد؛ همان مشخصه‌ای که در آلزایمر نیز وجود دارد [7]. مطالعات حاکی از افزایش میزان سطح کاتپسین‌های B و D در سیستم لیزوزومی مغز مبتلایان به بیماری آلزایمر در طی مراحل ابتدایی و پیشرفته‌ی بیماری می‌باشد. کاتپسین‌ها پس از سنتز در شبکه‌ی آندوپلاسمی و طی مراحل تغییرات پس‌ترجمه‌ای بواسطه‌ی دو گیرنده‌ی CD-MPR و CI-MPR وارد سیستم لیزوزومی و عمدتاً واکوئل‌های حاوی مارکر Rab-5 (آندوزوم‌های اولیه) می‌شوند. در مراحل ابتدایی بیماری آلزایمر بدلیل افزایش بیان گیرنده‌ی CD-MPR میزان کاتپسین‌های B و D در درون اندوزوم‌های اولیه‌ی حاوی Rab-5 افزایش می‌یابد، بعلاوه در نمونه‌های مغزی مبتلایان افزایش سطح mRNA کاتپسین D (و احتمالاً B) رؤیت شده است که گویای افزایش بیان ژنی این دو آنزیم می‌باشد. این در حالیست که یافته‌های تجربی با بکارگیری تکنیک RT-PCR نشان می‌دهد که در سیستم محیطی مبتلایان شامل لنفوسیت‌های خون محیطی و سلول‌های فیبروبلاست، کاهش رونویسی در آنزیم کاتپسین D وجود دارد.

در ارتباط با نقش کاتپسین‌های  Bو D در بیماری آلزایمر، نظریات و شواهد بحث بر‌انگیزی وجود دارد که محوریت کلی آنها در دخالت این دو آنزیم در پیدایش و یا ممانعت از بروز آلزایمر می‌باشد. شواهد حاکی از آنست که این دو آنزیم توانایی دخالت در پردازش βAPP و تولید آمیلوئید بتا را دارند. شاید دلیلی هم که در مراحل ابتدایی بیماری و همزمان با افزایش فعالیت سیستم لیزوزومی، اعم از افزایش اوتوفاژی و آندوسیتوزیس همراه با افزایش میزان آنزیم‌های لیزوزومی به خصوص این دو کاتپسین میزان آمیلوئیدهای بتا در سیستم لیزوزومی و بخصوص آندوزوم‌های اولیه افزایش می‌یابد، اثر مستقیم یا غیرمستقیم کاتپسین‌های مذکور در پردازش βAPP و در جهت تولید آمیلوئید بتا باشد. مشخص شده است که این دو کاتپسین در شرایط In vivo نسبت به مدل‌های βAPP دارای فعالیت بتا و گاما سکرتاز می‌باشند. در یک مطالعه نیز مشخص گردیده است که در موش‌های فاقد کاتپسین D فرایند آمیلوئیدوژنیک طبیعی می‌باشد.، اما اهمیت و موضوعیت این یافته‌ها تحت‌تأثیر مشاهدات و مدارک جدیدتر کاهش یافته است، به نحوی که هم‌اکنون تصور غالب بر آن است که تجزیه‌ی آمیلوئیدهای بتا بجز در برخی از شرایط خاص و پاتولوژیک نقش عمده و اصلی این آنزیم‌های پروتئولیتیک باشد و آمیلوئیدهای بتای تولید شده در فرایند‌های آندوسیتوزیس و فاگوسیتوزیس احتمالاً با انتقال به لیزوزوم‌ها توسط آنزیم‌های پروتئولیتیک و به خصوص کاتپسین‌های موجود در آنها تجزیه می‌شوند.

در ادامه و با توجه به مطالب فوق به بیان مدارکی پرداخته می‌شود که در آنها نقش کاتپسین‌های B و D را در پاک‌سازی پلاک‌های آمیلوئیدی و بروز آلزایمر مورد بررسی قرار می‌دهند.

 

کاتپسین B و تجزیه‌ی پلاک‌های آمیلوئید:

کاتپسین B پپتیدها و پروتئین‌هایی را که بواسطه‌ی آندوسیتوزیس و اوتوفاگوسیتوزیس وارد سیستم لیزوزومی شده‌اند، تجزیه می‌نماید. در شرایط پاتولوژیک همانند سرطان و آرتریت روماتوئید فرم فعال کاتپسین B بوسیله‌ی اگزوسیتوزیس به فضای خارج سلولی آزاد می‌شود و باعث تجزیه‌ی ماتریکس خارج سلولی می‌شود. در مقاطع پاتولوژیکی نمونه‌های مغزی مبتلایان به آلزایمر نیز همراهی کاتپسین‌های B با پلاک‌های آمیلوئیدی قابل مشاهده می‌باشد (شکل 5) .

B

(A): رنگ‌آمیزی ایمونولوژیک علیه کاتپسین B توسط Cat B Antibody مقطع بافتی را به رنگ قرمز در آورده است. (B): رنگ‌آمیزی ایمونولوژیک علیه آمیلوئید بتا توسطAnti Aβ Antibody 3D6، بافت را به رنگ سبز در آورده است.(C) : سیگنال زرد در شکل تلفیق شده‌ی نگاره‌های A و B نشانگر وجود همزمان آمیلوئید بتا و کاتپسین B در درون پلاک می‌باشد.

علیرغم این ارتباط نزدیک بین کاتپسین B و آمیلوئید بتا در داخل و خارج سلول‌های مغزی، عملکرد دقیق آن در ارتباط با پردازش βAPP و متابولیسم آمیلوئید بتا در سیستم عصب مرکزی هنوز مورد بحث و مجادله است، به نظر می‌رسد که این آنزیم ممکن است در فرایند پردازش βAPP و تبدیل آن به آمیلوئید بتا و وخیم‌تر نمودن شرایط در درون نورون‌های مبتلا به آلزایمر دخالت داشته باشد. از سوی دیگر ممکن است کاتپسین‌های B با کاتالیز نمودن واکنش تجزیه‌ی آمیلوئیدهای بتا و تبدیل آنها به فرم برش خورده از ناحیه‌ی انتهای کربوکسیل (که خاصیت آمیلوئیدوژنیک کمتری دارند) نقش محافظتی و مقابله‌کننده‌ای در برابر آلزایمر داشته باشند.

از سوی دیگر نتایج مشاهدات انجام گرفته توسط آنتی‌بادی‌های ضد آمیلوئید بتا (3D6 Antibody) بر روی پلاک‌های آمیلوئید نمونه‌ی موش‌های دارای سن 7-6 ماهه نشان داده است که میزان پلاک‌های موجود در انواع hAPP/ CatB^-/B^- به نحو قابل‌توجهی بیشتر از میزان پلاک‌های موجود در انواعhAPP/ CatB⁺/B⁺ می‌باشد. همچنین میزان رسوبات آمیلوئید بیشتری در کورتکــس مغز الگوهای hAPP/CatB^-/B^- نسبت به انواع hAPP/CatB⁺/B⁺ رؤیت می‌شود. در کل آنچه که از این مشاهدات به نظر می‌رسد اینست که کاتپسین B در تجزیه‌ی آمیلوئید‌های بتا مشارکت دارد (شکل 7) .

 

شکل 7:(A) ,(B): فتومیکروگراف رنگ‌آمیزی شده توسط آنتی‌بادی 3D6 تهیه شده از نمونه‌های مغز موش

رژیم غذایی غنی از کلسترول فعالیت کاتپسین D را تحت‌تأثیر قرار می‌دهد:

در یک آزمایش که بر روی خرگوش‌ها انجام گرفته است مشخص شده است که افزایش سطح کلسترول خون باعث پیدایش علائم پاتولوژیک مشابه با آلزایمر می‌گردد. در این مطالعه پس از اعمال دوازده هفته رژیم غذایی غنی از کلسترول مشاهده شده است که مقاطع بافتی تهیه شده از لوب بویایی خرگوش‌ها حاوی تجمعات آندولیزوزوم‌های بزرگ شده می‌باشند که در درون خود دارای تجمعات آپولـــیپوپروتئین B (Apo B) حاوی کلسترول به همراه افزایش آمیلوئید بتا و تائویِ فسفریله شده می‌باشند. بطور طبیعی در درون سلول‌های مغز سالم Apo B وجود ندارد، اما در نمونه‌های مبتلا به آلزایمر وجود این ملکول به اثبات رسیده است، بنابراین وجود Apo B در درون نورون‌های لوب بویایی این نمونه‌ها دلیلی بر تشابه احتمالی مکانیزمی بین این آزمایش و بیماری آلزایمر می‌باشد. اگرچه واضح است که تغییر در هموستئازیس کلسترول می‌تواند در مغز تولید آمیلوئید بتا را افزایش دهد اما مکانیزم و همچنین وسعتی را که کلسترول در گردش خون می‌تواند بر سطوح آمیلوئید بتا و همچنین گسترش پاتولوژی آلزایمر اعمال نماید مشخص نمی‌باشد. یکی از مکانیزم‌های ورود کلسترول بداخل نورون‌ها آندوسیتوز وابسته به گیرنده می‌باشد. ممکن است این فرایند توجیه‌کننده‌ی نتایج و مشاهدات فوق باشد، بطوریکه افزایش سطح کلسترول موجود در گردش خون با تغییر در تمامیت و هموستئازیس سد خونی مغزی باعث افزایش میزان کلسترول ورودی به بافت مغزی می‌شود. در نتیجه‌ی این افزایش کلسترول مغزی آندوسیتوز وابسته به گیرنده‌ی کلسترول نیز در نورون‌ها افزایش می‌یابد. همراه با فرایند آندوسیتوزیس مقداری از غشاء سیتوپلاسمی نورون‌ها نیز بعنوان واکوئل آندوزومی وارد سلول‌ها می‌شود که خود حاوی مقداری βAPP می‌باشند، در نتیجه میزان سوبسترای βAPP بیشتری نیز وارد سیستم آندوزومی- لیزوزومی جایی که دارای آنزیم‌های سکرتاز لازم برای پردازش βAPP به آمیلوئید بتا می‌باشد، می‌گردد، بنابراین در این حالت میزان تولید آمیلوئید بتا افزایش خواهد یافت. علاوه بر این، افزایش سطح کلسترول در سیستم آندوزومی بر ساختار و عملکرد لیزوزوم‌ها نیز تأثیر می‌گذارد. در این آزمایشات مشخص شده است که میزان فعالیت ویژه کاتپسین D و آنزیم اسید فسفاتاز (ACP) در سیستم لیزوزومی کاهش می‌یابد. این موضوع نیز شاید به نوبه خود دلیلی بر مکانیزم بیماری در انواع اسپورادیک بیماری بواسطه‌ی افزایش کلسترول خون باشد .

 

ممکن است کاتپسین D با تجزیه‌ی Apo E در پاتوژنز آلزایمر مشارکت نماید:

اگرچه مکانیزم دقیقی برای نقش Apo E در بیماری آلزایمر شناخته نشده است اما یافته‌های جدید منجر به طرح این نظریه شده است که قطعات بر جای مانده حاصل از تجزیه‌ی پروتئولیتیک Apo E ممکن است در پاتوژنز آلزایمر دخالت داشته باشند. به نظر می‌رسد که آسپارتیک پروتئازهای موجود در سیستم لیزوزومی سلول‌های مغزی در پروتئولیز Apo E دخالت داشته باشند. Presenilinases، آنزیم برش‌دهنده‌ی قسمت بتا در پروتئین پیش‌ساز آمیلوئید بتا ((BACE و BACE2 (یک هومولوگ BACE می‌باشد)، کاتپسین D و کاتپسین E از انواع این آسپارتیک پروتئازها می‌باشند. در این بین بر طبق شواهد و یافته‌ها به نظر می‌رسد که عمل پروتئولیز Apo E مربوط به یکی از کاتپسین‌های D یا E ‌باشد؛ برای مثال گزارش شده است که Presenilinases در دامنه‌ی pH بین 6/6-6/3 بیشترین فعالیت را دارد، در حالیکه پروتئولیز Apo E در مخلوط هموژن مغزی در pHهای پایین‌تر کارایی بیشتری دارد [13]. در یک مطالعه انجام گرفته جهت بررسی احتمال دخالت این دو کاتپسین در فرایند پروتئولیز Apo E از کاتپسین‌های D و E خالص شده‌ی انسانی به همراه دو نوع Apo E، شامل Apo E3 و Apo E4 نوترکیب فاقد لیپید و Apo E4 انسانی که با دیسک‌ها (Dipalmitoyl Phosphatidyl Cholin) DPPC لیپیده شده استفاده شده است. جهت بررسی مکانیزم آزمایش بوسیله‌ی آنزیم‌های مذکور در محیط بافتی از بافت هموژن شده‌ی مغز موش که فاقد Apo E بوده و جهت ممانعت از عملکرد سایر آنزیم‌های پروتئولیتیک (بجز دو کاتپسین یاد شده) در حضور انواع مهارکننده‌های آنزیمی شامل مهارکننده‌های سرین پروتئازی، سیستئین پروتئازی و متالوپروتئینازی بررسی شده است [13]. بطور کلی می‌توان نتایج مطالعات فوق را به صورت زیر جمع‌بندی کرد:

کاتپسین D بر روی هر دو نمونه‌ی 4 و Apo E3 فاقد لیپید و Apo E4 دارای لیپید اثر تجزیه‌کنندگی یکسانی دارد. محصول غالب در این فرایند یک قطعه‌ی 24KD بوده است که مشابه الگوهای بدست آمده از نمونه‌های مغزی بیماران مبتلا به آلزایمر است. اما کاتپسین E تنها بر روی فرم 4 و Apo E3 که عاری از لیپید می‌باشد اثر تجزیه‌کنندگی داشته و بر روی فرم Apo E4 که حاوی لیپید است تأثیری ندارد. این در حالیست که الگوی ناشی از پروتئولیز حاصل از کاتپسین E بر روی فرم فاقد لیپید 4 و Apo E3 با الگوی حاصل از تجزیه‌ی آن توسط کاتپسین D (که با الگوی بافتی بیماران شباهت دارد) متفاوت می‌باشد. با توجه به این نتایج به نظر می‌رسد که کاتپسین E با احتمال بیشتری در مقایسه با کاتپسین D در تجزیه‌ی منجر به پاتوژنر Apo E در مغز بیماران مبتلا به آلزایمر نقش داشته باشد. از سوی دیگر مطالعات بافت‌شناسی انجام گرفته بر روی مقاطع بدست آمده از مبتلایان به آلزایمر بیانگر وجود تجمع همزمان کاتپسین D و آپولیپوپروتئین E در مجموعه‌ای از پلاک‌های فرتوت (Senile Plaque) و تانگل‌ها می‌باشد. همچنین رابطه‌ی مثبتی بین میزان مدت ابتلا به بیماری و درصد وجود اینگونه پلاک‌ها یافت شده است. نتایج تکمیلی انجام گرفته گویای آن است که قطعه‌ی 24KD حاصل از اثر کاتپسین D بر روی Apo E، دومین اتصالی به رسپتور در Apo E می‌باشد (Receptor Binding Domain Of Apo E) و ممکن است دلیل بیماری‌زایی Apo E در آلزایمر نیز همین قطعه باشد.

 

در حالت طبیعی میکروگلیاها نقش مؤثری در تجزیه‌ی پلاک‌های آمیلوئیدی ندارند:                      

مشخص شده است که سطوح آنزیم‌های پروتئولیتیک لیزوزومیِ موجود در درون میکروگلیاها بیشتر از انواع موجود در ماکروفاژها (ماکروفاژهای j774) می‌باشد (جدول 3). میکروگلیاها تحت شرایطی توانایی برداشت آمیلوئید‌های بتا را بواسطه‌ی گیرنده‌های رفتگر Scavenger Receptor (SRA) دارند، اما بعلت pH نزدیک به خنثی (تقریباً 6) موجود در درون لیزوزوم‌های آنها، این آنزیم‌های لیزوزومی، بخصوص کاتپسین‌ها فعالیت لازم و کافی را جهت تجزیه‌ی آمیلوئیدهای بتا در میکروگلیاها ندارند [26]. در مقاطع پاتولوژیک نمونه‌های مغزی افراد مبتلا به آلزایمر میکروگلیاهایی که خود حاوی آمیلوئید بتا هستند به تواتر در اطراف پلاک‌های آمیلوئیدی یافت می‌شوند. به نظر می‌رسد که اگر pH موجود درون لیزوزومی سلول‌های میکروگلیا به درجه‌ی مساعدتری برسد، فرایند تجزیه‌ی پروتئولیتیک آمیلوئید‌های بتا بصورت مطلوب‌تری انجام خواهد پذیرفت. در مدل‌های آزمایشی استفاده از عوامل التهابی همانند IL6 وMacrophage Colony Stimulating Factor (MCSF) موجب شده است که میکروگلیا‌ها آمیلوئید‌های بتا را تجزیه نمایند.

جدول 3: فعالیت آنزیم‌های لیزوزومی در لیزانت‌های سلولی میکروگلیا و ماکروفاژ

احتمالاً این عوامل التهابی توانسته‌اند محیط داخلی لیزوزوم‌ها را بواسطه‌ی فعال کردن پروتئین کیناز A و کانال‌های کلراید اسیدی نمایند که در این زمینه نیاز به مطالعات تکمیلی بیشتری می‌باشد.

 

جهش در ژن PS1 باعث بروز اختلالات لیزوزومال می‌شود:

در صورت وقوع جهش یا جهش‌های منجر به کاهش فعالیت و یا حذف ژن PS1 اختلالاتی در سیستم لیزوزومی از قبیل اختلالات ساختاری مانند بزرگ شدن و تجمع واسطه‌های لیزوزومی، اختلال در اسیدی شدن آندوزوم‌ها و اوتوفاگوزوم‌ها و همچنین کاهش فعال شدن کاتپسین D، بعنوان آسپارتیل پروتئاز اصلی لیزوزومی رخ می‌دهد. هرچند اثر پاتولوژیک این جهش‌ها در آلزایمر اغلب افزایش تولید آمیلوئید بتا از پیش‌ساز خود یعنی βAPP ذکر شده است، اما در این زمینه توجه به یک نکته حائز اهمیت است و آن اینکه در تمامی بیماری‌هایی که بعلت جهش در PS1 اتفاق می‌افتند این اثر بروز نمی‌یابد، بنابراین در این حالت و در ارتباط با بیماری آلزایمر علاوه بر افزایش تولید آمیلوئید بتا، می‌بایستی از دست رفتن عملکرد یا عملکردهای اختصاصی و بیولوژیک دیگری از PS1 از علل تأثیرگذار در پیدایش بیماری باشد. بصورت تجربی حدف ژن PS1 باعث از بین رفتن کامل اوتوفاژی می‌شود در حالیکه این عمل حداقل اثر ممکن را بر روی سیستم‌های پروتئولیز مستقل از لیزوزوم دارد. مطالعات مشخص کرده است که نقش PS1 در فرایند پروتئولیز لیزوزومی، کمک به فرایند اسیدی نمودن محتویات درونی اجزاء سیستم لیزوزومی می‌باشد. در حالت طبیعی برای اینکه محتویات درونی آندولیزوزوم‌ها و اوتوفاگولیزوزوم‌ها اسیدی شود، سیستم نیازمند یک پمپ پروتونیِ وابسته به انرژی بنام V ATPase (Vacuolar[H⁺] ATPase) می‌باشد. اسیدی شدن محتویات درونی این ساختارهای لیزوزومی فرایند مهمی در بلوغ آنها و همچنین در جهت فعال شدن آنزیم‌های پروتئولیتیکی همچون کاتپسین‌های L،D  و  Bمی‌باشد. این پمپ پروتونی شامل یک کمپلکس غشایی بنام V0 و یک کمپلکس سیتوزولی بنام V1 می‌باشد و هر یک نیز به نوبه‌ی خود از چند زیرواحد تشکیل شده‌اند. پس از سنتز زیرواحدها در شبکه‌ی آندوپلاسمی و کامل شدن فرایند‌های پس‌ترجمه‌ای بر روی آنها، زیرواحدها بسوی آندوزوم‌ها و اوتوفاگولیزوزوم‌ها روانه شده و در غشاء سلولی آنها قرار می‌گیرند و بدین وسیله وظیفه اسیدی نمودن آندولیزوزوم‌ها و اوتوفاگولیزوزوم‌ها را انجام می‌دهند. مطالعات بیانگر نقش پروتئین PS1 در تکمیل فرایند تغییر پس‌ترجمه‌ای بر روی زیرواحد V0a1 از این پمپ در جهت N گلیکوزیلاسیون آن در شبکه‌ی آندوپلاسمی می‌باشد. زیرواحد  V0a1پس از تکمیل فرایند ترجمه در شبکه‌ی آندوپلاسمی سریعاً بواسطه‌ی تعامل فیزیکی با پروتئین PS1، با یک آنزیم موجود در غشاء شبکه‌ی آندوپلاسمی بنام Oligosaccharyltransfrase (OST) تماس می‌یابد. با این کار قسمتی از ساختار پروتئینی V0a1 در تماس مناسب با جایگاه فعال OST قرار می‌گیرد. OST یک آنزیم N گلیکان ترانسفراز بوده و با افزودن واحدهای قندی به ساختار V0a1 آن را برای انتقال نشانه‌دار و اختصاصی به سمت ساختارهای اوتولیزوزوم/لیزوزومی آماده می‌سازد. حال مشخص شده است که در صورت جهش یا حذف ژن PS1، این فرایند مختل شده و یا انجام نمی‌پذیرد، در نتیجه V0a1 نمی‌تواند در غشاء ساختار‌های لیزوزومی قرار بگیرد. عدم قرارگیری این زیرواحد در غشاء ساختارهای لیزوزومی نیز به نوبه‌ی خود باعث عدم شکل‌گیری کمپلکس V-ATPase شده و در نتیجه اسیدی شدن محتویات درونی واکوئل‌های لیزوزومی، بلوغ آنها با اختلال مواجه می‌شود. در صورتی که فرایند اسیدی شدن این ساختارها انجام نگیرد کاتپسین نیز به چند دلیل فعال نمی‌شود. از جمله اینکه اسیدی شدن ساختارهای لیزوزومی برای جدا شدن CI-MPR از کاتپسین‌ها لازم است. در صورتی که لیزوزوم‌ها اسیدی نشوند، این گیرنده‌ها نیز همچنان به کاتپسین‌ها متصل باقی مانده و اجازه‌ی فعال شدن به آنها را نمی‌دهند. از سوی دیگر جهت بلوغ کامل پروتئولیتیک کاتپسین‌ها نیز محیط باید اسیدی باشد. گذشته از این موارد همانگونه که بارها در این متن اشاره شده است برای حداکثر عملکرد کاتپسین‌ها نیاز به محیط اسیدی می‌باشد .

منبع : مجله اخبار آزمایشگاهی شماره 130